Устройство для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги
Владельцы патента RU 2394938:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) (RU)
Изобретение относится к устройствам для нанесения металлических покрытий и может найти применение в машиностроительной, приборостроительной, радио- и электронной промышленности. Устройство содержит коаксиальные высоковольтные электроды - внешний цилиндрический и центральный с изолятором между ними и направляющее сопло, установленное соосно электродам. Торец центрального электрода заглублен относительно торца цилиндрического электрода на расстояние h. Величина h заглубления торца центрального электрода определяется из условия 0,1d≤h≤0,5d, где d - диаметр активной зоны взрывающейся фольги. Диаметр центрального электрода равен диаметру активной зоны взрывающейся фольги, а поверхность его торца имеет рельефный профиль в виде равномерно расположенных четырехгранных пирамид. При этом изолятор выполнен в виде оболочки с внутренним буртом на конце, высота которого равна h. Торец изолятора расположен в одной плоскости с торцом внешнего цилиндрического электрода. Технический результат - повышение качества покрытия за счет создания условий для квазиоднородного электрического взрыва фольги. 3 ил.
Изобретение относится к области создания мелкодисперсных металлических порошков, а также к нанесению металлических покрытий и может найти применение в машиностроительной, приборостроительной, радио - и электронной промышленности.
На сегодняшний день известны различные устройства для нанесения покрытия электрическим взрывом фольги, в частности №2026415, кл. С23С 14/32, опубл. 1995.01.09. Сущность изобретения состоит в том, что между центральным и наружным высоковольтными электродами, установленными коаксиально в изоляции, размещен дополнительный высоковольтный электрод, выполненный в форме кольца. Электроды включены в электрическую схему, состоящую из двух разрядных контуров. Разрядный ток от емкостных накопителей энергии проходит через дополнительный высоковольтный электрод, создавая над ним дополнительную зону начального испарения фольги. Первый емкостной накопитель энергии, разряжаясь через отрезок фольги, заключенный между центральным и дополнительным электродами, а второй емкостной накопитель энергии, разряжаясь через отрезок фольги, заключенный между дополнительным и наружным электродами, вызывают одновременное взрывное испарение фольги на обоих участках.
Рассматриваемое устройство предназначено для повышения производительности процесса напыления, но возможность возникновения преждевременного и неустойчивого паразитного разряда между центральным электродом и взрывающейся фольгой приводит к нестабильности протекания процесса.
Наиболее близким из известных технических решений является устройство для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги, содержащее кольцевой и центральный коаксиальные высоковольтные электроды с изолятором между ними и направляющее сопло, с целью улучшения качества покрытия за счет повышения равномерности распределения конденсата по поверхности подложки и увеличения площади наносимого покрытия, торцы центрального электрода и изолятора заглублены относительно торца кольцевого электрода на расстояние h, выбираемого из выражения 0,1R<h<(R-r), где R и r - соответственно внутренний радиус кольцевого электрода и радиус центрального электрода, а сопло выполнено в виде сопла Лаваля и снабжено установленным на его срезе цилиндрическим насадком с перфорированными стенками (№1482246, С23С 14/32, опубликовано 09.02.1995).
Недостатком данного устройства является то, что центральный электрод представляет собой тонкий стержень, а взрывающаяся фольга (до возникновения разряда) представляет собой плоскость, следовательно, электродную систему необходимо рассматривать как систему типа "острие-плоскость". Электрическое поле между ними только в идеале носит симметричный характер. Поэтому в реальности электрический разряд между центральным электродом и фольгой будет возникать, вообще говоря, ближайшей точки поверхности, которая не всегда будет являться геометрическим центром окружности взрывающейся фольги. Возникновение плазменного сгустка и дальнейшее развитие полученного плазменного образования будет носить локальный характер и не являться однородным по объему фольги. Для получения однородной дисперсности металлического порошка необходимо сообщить взрывающейся фольге соответствующее количество энергии, и чем больше энергии будет введено в образец за короткое время, тем будет повышаться степень дисперсности и однородность порошка. Электродная система "острие-плоскость" не позволяет это осуществить, коронный разряд возникает при сравнительно невысоких напряжениях и, следовательно, не обладает необходимой энергией. Повышение начального разрядного напряжения приведет к необходимости увеличения расстояния h между электродами, что приведет к увеличению асимметрии поля, к неполному вовлечению фольги в процесс разряда, к неоправданным энергетическим потерям, в частности на электромагнитное излучение вследствие увеличения длины канала разряда. Распределение тока разряда неоднородно, следовательно, нагрев с последующим прохождением металла фольги фазовых состояний будет носить хаотический, беспорядочный характер. Таким образом, применение предлагаемого устройства не позволяет произвести в полной мере разрушение фольги, получение однородной дисперсности металлического порошка и высокого качества покрытия, работа устройства недостаточно эффективна.
Техническим результатом изобретения является повышение качества покрытия за счет создания условий для квазиоднородного электрического взрыва фольги.
Поставленный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги, содержащем коаксиальные высоковольтные электроды - внешний цилиндрический и центральный с изолятором между ними и направляющее сопло, установленное соосно электродам, при этом торец центрального электрода заглублен относительно торца цилиндрического электрода на расстояние h, а устройство выполнено с возможностью размещения взрываемой фольги в плоскости торца внешнего цилиндрического электрода, величина h заглубления торца центрального электрода определяется из условия 0,1d≤h≤0,5d, где d - диаметр активной зоны взрывающейся фольги, диаметр центрального электрода равен диаметру активной зоны взрывающейся фольги, а поверхность его торца имеет рельефный профиль в виде равномерно расположенных четырехгранных пирамид, при этом изолятор выполнен в виде оболочки с внутренним буртом на конце, высота которого равна h, а торец изолятора расположен в одной плоскости с торцом внешнего цилиндрического электрода.
Равенство диаметров центрального электрода и активной зоны взрывающейся фольги, т.е. той части взрывающейся фольги, которая разрушается в процессе взрыва, позволяет создать условие, обеспечивающее одновременное вовлечение всей активной зоны взрывающейся фольги в образовании плазменного сгустка электрического разряда, соответственно, возникновение плазменного образования во всем объеме электродной системы.
Выполнение торца центрального электрода плоским, расположение его параллельно поверхности взрывающейся фольги и условие 0,1d≤h≤0,5d, где d - диаметр активной зоны взрывающейся фольги, обеспечивают условия создания однородного электрического поля в области активной зоны взрывающейся фольги и тем позволяют сформировать электродную систему типа "плоскость-плоскость". Предлагаемая электродная система позволяет увеличивать энергию электрического разряда путем повышения начального напряжения между электродами без увеличения расстояния h между ними. Взрывающаяся фольга до возникновения электрического разряда исполняет роль плоского электрода. В результате чего при подаче разности потенциалов на центральный и внешний цилиндрический электроды между торцом центрального электрода и взрывающейся фольгой возникает однородное электрическое поле, при этом все частицы фольги будут находиться в идентичных условиях. Наличие на поверхности торца центрального электрода рельефного профиля в виде равномерно расположенных четырехгранных пирамид обеспечивают условие зарождения очагов стримеров, однородно расположенных по поверхности и во всем межэлектродном объеме. Из чего следует, что применение электродной системы типа "плоскость-плоскость" позволяет при подаче высокого напряжения создать в межэлектродном пространстве однородное электрическое поле, благодаря которому в течение короткого времени возможно возникновение нескольких стримеров, способных образовать единый плазменный сгусток во всем объеме электродной системы. Под действием высокоэнергетического электрического поля возникает электрический разряд по всему объему электродной системы и осуществляется квазиоднородный взрыв фольги, превращая ее в металлическую плазму, которая, расширяясь, устремляется в сторону подложки, при этом торец центрального электрода исполняет роль отражателя продуктов электрического взрыва. Наличие внутреннего бурта на торце оболочки, обладающей высокими диэлектрическими свойствами, позволяет избежать искривления электрического поля на краях торца центрального электрода и внешнего цилиндрического электрода, имеющего электрический контакт с периферийной частью взрывающейся фольги. Таким образом достигается повышение качества покрытия и возможность получения однородной дисперсности металлического порошка.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция устройства для нанесения покрытия электрическим взрывом фольги, на фиг.2 представлена электродная система, на фиг.3 представлен центральный электрод с плоским торцом, поверхность которого имеет рельефный профиль в виде равномерно расположенных четырехгранных пирамид.
Взрывающаяся фольга 1 (фиг.1) в виде непрерывной ленты (или в виде отдельных квадратиков) подается специальным механизмом (не показан) в область расположения электродной системы. Электродная система (фиг.2) представляет собой центральный 2 и внешний цилиндрический 3 коаксиальные высоковольтные электроды и изолятор между ними, выполненный в виде тонкой оболочки 4 с внутренним буртом на конце. Торец центрального электрода 2 находится на расстоянии h от внутренней поверхности взрывающейся фольги 1. Сопло 5 (фиг.1) устанавливается соосно с электродной системой, обеспечивая надежный электрический контакт взрывающейся фольги 1 с торцом внешнего цилиндрического электрода 3. Торец внешнего цилиндрического электрода 3 и торец оболочки 4 расположены в одной плоскости с взрывающейся фольгой 1, причем высота бурта оболочки 4 равна расстоянию h.
Устройство работает следующим образом.
При подаче высокого напряжения на центральный электрод 2 и внешний цилиндрический электрод 3 в разрядном промежутке между торцом центрального электрода 2 и внутренней поверхностью взрывающейся фольги 1 возникает однородное электрическое поле (фиг.2), линии напряженности которого показаны параллельными стрелками, и происходит электрический пробой. Рельефный профиль (фиг.3) в виде равномерно расположенных четырехгранных пирамид на торце центрального электрода 2 обеспечивает одновременное образование лавины стримеров. Зарождающиеся стримеры между вершинами пирамид и поверхностью взрывающейся фольги 1, а также ввиду равенства диаметров центрального электрода 2 и активной зоны взрывающейся фольги 1 обеспечивают возникновение электрического разряда во всем объеме электродной системы, создающего квазиоднородный электрический взрыв фольги 1.
Тем самым обеспечиваются условия возникновения квазиоднородного взрыва фольги, эффективного ее диспергирования, в результате чего достигается однородность образующихся продуктов взрыва, что влечет за собой существенное повышение качества покрытия объекта.
Устройство для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги, содержащее коаксиальные высоковольтные электроды - внешний цилиндрический и центральный с изолятором между ними и направляющее сопло, установленное соосно электродам, при этом торец центрального электрода заглублен относительно торца цилиндрического электрода на расстояние h, а устройство выполнено с возможностью размещения взрываемой фольги в плоскости торца внешнего цилиндрического электрода, отличающееся тем, что величина h заглубления торца центрального электрода определяется из условия 0,1d≤h≤0,5d, где d - диаметр активной зоны взрывающейся фольги, диаметр центрального электрода равен диаметру активной зоны взрывающейся фольги, а поверхность его торца имеет рельефный профиль в виде равномерно расположенных четырехгранных пирамид, при этом изолятор выполнен в виде оболочки с внутренним буртом на конце, высота которого равна h, а торец изолятора расположен в одной плоскости с торцом внешнего цилиндрического электрода.
